電磁鑄造冷卻速度對鑄錠質(zhì)量的作用規(guī)律

王振哲，劉書濤

（中國核電工程有限公司，北京 100840）

在電磁模鑄過程中，冷卻速度會直接影響合金熔體中的溫度場分布和磁場的作用時(shí)間，同時(shí)，對鑄錠的表面質(zhì)量和縮孔縮松現(xiàn)象有嚴(yán)重影響。不同的冷卻速度會影響磁場的作用效果，因此，探討冷卻條件對于電磁模鑄工藝的影響是很有必要的[1]。據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)可知[2-3]，在合金凝固的過程中施加行波磁場，熔體的黏度隨固相率的增加而增加，特別是當(dāng)固相率超過某一臨界值時(shí)，熔體的黏度開始迅速增加。凝固過程中，熔體的固相率由液固兩相體的溫度決定，可以通過Scheil方程，將溫度換算成固相率的函數(shù)。在熔體凝固過程中，冷卻速度隨著熔體溫度降低，這種關(guān)系函數(shù)隨之發(fā)生改變。在凝固過程中，隨著溫度的降低，熔體的固相率不斷增加，當(dāng)固相率達(dá)到0.4時(shí)，熔體的黏度將急劇增加，下式為黏度fs和固相率之間的關(guān)系：ηa=Aexp（Bfs）η，式中：A，B均為系數(shù)。

合金熔體黏度的大小決定于熔體中固相率的大小，而合金熔體固相率的大小又與熔體內(nèi)部的溫度息息相關(guān)。由此可知，在凝固過程中，合金熔體的冷卻速度會嚴(yán)重影響行波磁場對于鑄錠凝固過程的控制和改善作用，進(jìn)一步影響行波磁場對于產(chǎn)品質(zhì)量的改善效果。因此，探討冷卻條件對于電磁模鑄工藝的影響是很有必要的。

1 實(shí)驗(yàn)方法

本實(shí)驗(yàn)選用的鋁錠為Al-5%Cu合金，該合金是一種固溶型合金，常溫下，由α相和析出的CuAl2共同組成。實(shí)驗(yàn)分別研究了空冷條件下（0.28 K/s）、水冷條件下（0.47 K/s）以及快速冷卻條件下（0.78 K/s）磁場對于鑄錠質(zhì)量的影響。試樣宏觀組織圖片如圖1所示。本實(shí)驗(yàn)微觀組織的觀察方法如下：將圖1的宏觀組織的試樣切成如圖1方框所示的上、中、下3塊區(qū)域。將這3塊小樣經(jīng)過400#、800#、1200#、1500#、2000#、2500#和3000#砂紙水磨，然后用1 μm的拋光劑在MP-2C金相試樣磨拋機(jī)上拋光，用酒精清洗干凈后，先用稀鹽酸（1%HCl溶液）簡單擦拭試樣表面，去除試樣表面氧化膜，再采用科爾試劑，對試樣表面進(jìn)行腐蝕，腐蝕時(shí)間為5～10 s，腐蝕完畢后，迅速用酒精清洗并吹干。最后，采用金相顯微鏡（Olympus GX5）對試樣進(jìn)行拍照分析。實(shí)驗(yàn)中，對微觀組織的晶粒尺寸分布進(jìn)行了一個大致的統(tǒng)計(jì)分析，采用金相圖片，大概位于圖1中白色方框區(qū)域。實(shí)驗(yàn)中，采用Photoshop配合統(tǒng)計(jì)軟件Image-Pro-Plus和Nano Measurer統(tǒng)計(jì)晶粒尺寸的分布，最終用Origin制作分布柱狀圖。

圖1 試樣宏觀組織

2 結(jié)果與討論

不同冷卻速度下的鑄錠組織和晶粒尺寸分布如圖2所示。由圖2可知，微觀組織的圖片由9張圖片拼湊而成，圖片對應(yīng)的位置區(qū)域位于圖1中白色方框所對應(yīng)的區(qū)域，為統(tǒng)計(jì)晶粒尺寸分布，所選取的金相照片也來自圖1中白色方框所對應(yīng)的區(qū)域。在晶粒尺寸的微觀分布圖中，橫坐標(biāo)對應(yīng)的是晶粒的尺寸范圍，縱坐標(biāo)對應(yīng)的是不同尺寸范圍下晶粒的的數(shù)量占總的晶粒數(shù)量的百分?jǐn)?shù)。

由圖2（a）可知，在無磁場水冷條件下，合金鑄錠不同部位的微觀組織均為發(fā)達(dá)的柱狀晶或枝晶組織，上部和下部枝晶的生長存在一定的方向性，而處于心部的枝晶組織的生長表現(xiàn)為各向同性。晶粒尺寸的變化范圍較大，晶粒尺寸主要介于400.00～1 200.00 μm，平均尺寸為882.27 μm。從圖2（b）可以看出，在行波磁場空冷條件下，微觀晶粒組織由發(fā)達(dá)的枝晶組織轉(zhuǎn)變成不規(guī)則的棒狀、花瓣?duì)畹木Я＝M織，處于鑄錠不同位置的晶粒形狀和尺寸存在一定程度的偏差，微觀晶粒組織的分布并不均勻，晶粒的尺寸較之圖2（a）有顯著降低，晶粒尺寸主要介于200.00～600.00 μm，平均尺寸為385.14 μm，可見，行波磁場具有顯著細(xì)化晶粒的作用。從圖2（c）可以看出，在行波磁場水冷條件下，晶粒的形狀多為不規(guī)則的圓形，處于鑄錠不同位置的晶粒形狀和尺寸基本一致，晶粒尺寸主要介于150.00～400.00 μm，平均尺寸為251.67 μm，與圖2（b）對比，微觀組織的晶粒尺寸變得更加細(xì)小，分布也更加均勻，晶粒的形狀也更加規(guī)則等軸化。從圖2（d）可以看出，在行波磁場快冷條件下，處于鑄錠底部的微觀組織晶粒為細(xì)小發(fā)達(dá)的枝晶組織，而處于鑄錠中部和上部的微觀組織晶粒，則由相對粗大的枝晶組織和一些細(xì)小的類等軸晶組織組成，微觀組織的晶粒分布并不均勻，晶粒尺寸主要介于200.00～700.00 μm，平均尺寸為520.04 μm。對比圖2（c）可以看出，在過快的冷卻條件下，晶粒的平均尺寸反而顯著變大，組織也變成了發(fā)達(dá)的枝晶組織，可見，過快的冷卻條件嚴(yán)重削弱了行波磁場細(xì)化晶粒組織，促使晶粒組織CET轉(zhuǎn)變效果。

3 結(jié)語

圖2 不同冷卻速度下鋁銅合金鑄錠微觀組織和晶粒尺寸分布

以鋁銅合金作為實(shí)驗(yàn)材料，開展了電磁模鑄的應(yīng)用研究，研究了不同冷卻速度對于鑄錠質(zhì)量的影響規(guī)律。在行波磁場水冷0.47 K/s條件下，晶粒尺寸主要介于150.00～400.00 μm，平均尺寸為251.67 μm，結(jié)果表明：微觀組織的晶粒尺寸變得更加細(xì)小，分布也更加均勻，晶粒也趨近于等軸化，進(jìn)而提高鑄錠的整體鑄造質(zhì)量。